Cuộn dây của Tesla

Cuộn dây của Tesla là một loại máy biến áp cộng hưởng do Nikola Tesla phát minh vào khoảng năm 1891. Thiết bị này được dùng để tạo ra dòng điện xoay chiều cao áp, cường độ thấp và tần số cao. Tesla đã thử nghiệm với nhiều cấu hình khác nhau, bao gồm mạch cộng hưởng hai hoặc ba. Một điểm đặc biệt của cuộn dây này, mà Nikola Tesla đã nhận được bằng sáng chế, là cuộn thứ cấp hoạt động như một bộ cộng hưởng với chiều dài dây quấn bằng 1/4 bước sóng của nó (chiều dài dây quấn cuộn L₂ = 1/4 bước sóng mà nó cộng hưởng).

Tesla đã sử dụng cuộn dây để thực hiện các thí nghiệm tiên tiến trong lĩnh vực chiếu sáng, lân quang, tạo tia X, dòng điện xoay chiều tần số cao, điện xung trị liệu, và truyền tải điện không dây. Mạch cuộn dây Tesla đã được ứng dụng trong việc phát sóng vô tuyến điện báo không dây cho đến năm 1920 và trong các thiết bị y tế như thiết bị quang điện và tia cực tím. Hiện nay, cuộn dây Tesla chủ yếu được sử dụng cho mục đích giải trí và giáo dục, mặc dù cuộn dây nhỏ vẫn được dùng để phát hiện rò rỉ trong các hệ thống chân không cao.

1 Thiết kế

Cuộn dây Tesla gồm hai phần chính: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, mỗi cuộn có tụ điện riêng biệt (tụ điện hoạt động giống như pin). Về cơ bản, cuộn dây Tesla là một biến áp không có lõi. Một phần quan trọng khác là khe đánh lửa, thực hiện chức năng như thiết bị đóng cắt.

Cuộn dây Tesla yêu cầu một nguồn điện cao áp để sạc cho tụ C₁. Nguồn điện thông thường được cung cấp qua một biến áp, có khả năng tạo ra điện áp cần thiết (ít nhất là 3.000 volt).

2 Nguyên lý hoạt động

Tập tin:Primary ringdown.gif

Tập tin:Secondary ringup.gif

Tập tinRingdown.jpg

Khi hệ thống được cấp điện, trong khoảng thời gian ngắn (1/2 chu kỳ của điện lưới), tụ điện C₁ sẽ gần đầy và tia lửa điện xuất hiện, cho phép năng lượng trong C₁ xả vào cuộn dây sơ cấp L₁ (như được tô màu đỏ cam trong hình 4). Sau đó, xảy ra hiện tượng chuyển đổi năng lượng qua lại giữa C₁ và L

₁ mà tia lửa điện duy trì trong khoảng 5 đến 10 chu kỳ. Thời gian này cũng đủ để năng lượng từ cuộn sơ cấp chuyển qua cuộn thứ cấp nhờ hiện tượng hổ cảm, tạo ra sóng trong cuộn thứ cấp như hình 3. Cuối cùng, điện tích trong tụ C₂ tăng đến mức nó thoát ra dưới dạng tia lửa điện.

Trường điện từ tần số cao có thể làm sáng các bóng đèn huỳnh quang từ khoảng cách xa mà không cần nối dây điện.

Trong một cuộn dây Tesla lý tưởng, khi cuộn dây thứ cấp đạt mức điện tích tối đa, toàn bộ quá trình sẽ được khởi động lại và thiết bị sẽ tự duy trì. Tuy nhiên, trên thực tế, điều này không xảy ra. Không khí bị đốt nóng tại khe đánh lửa sẽ hút một lượng điện từ cuộn dây thứ cấp và quay lại khe đánh lửa, dẫn đến việc cuộn dây Tesla hết năng lượng. Đó là lý do tại sao các cuộn dây cần được cung cấp năng lượng từ nguồn bên ngoài.

Nguyên lý cơ bản của cuộn dây Tesla chính là hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng xảy ra khi dòng điện từ cuộn dây sơ cấp được truyền vào cuộn dây thứ cấp tại thời điểm chính xác, tối đa hóa lượng năng lượng chuyển vào cuộn dây thứ cấp.

Một đặc điểm độc đáo của cuộn dây Tesla là hoạt động theo chế độ gián đoạn, với tỷ lệ thời gian cấp năng lượng rất thấp, chỉ khoảng 1 phần mười ngàn (100 xung của tụ C1 xả vào cuộn dây L1 trong vài trăm micro giây). Do đó, dù công suất RMS khá nhỏ, nó vẫn có thể phát ra những chùm sóng sine với năng lượng tức thời cực lớn (hàng megawatt), tạo ra những tia sét nhân tạo rất ấn tượng.

Mặc dù cuộn dây Tesla hiện không còn được sử dụng rộng rãi, phát minh của Tesla đã mở ra một cuộc cách mạng trong cách chúng ta hiểu và áp dụng điện.

3 Năng lượng đầu vào và đầu ra của cuộn Tesla

Để chế tạo cuộn dây Tesla truyền thống, người ta thường sử dụng biến áp NST (Neon sign transformer) với công suất từ 200VA đến 900VA. Biến áp NST là lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng này vì dòng ra của nó khoảng 30mA, không bị quá tải và không gây cháy nổ ngay cả khi chập mạch. Biến áp này thường có điện áp cao từ 5KV đến 21KV đỉnh đối đỉnh (peak to peak voltage).

Áp dụng công thức tính

J=1/2CV

Sử dụng giá trị trung bình cho ba tham số C; V; F

C=68nF

V=14kV

F=Tần số cộng hưởng là 200kHz

Chúng ta có

J=1/2*68*10*(14000)=6,66joule=6,66watt/s

Khi sử dụng lưới điện 50 Hz trong 1 giây, tụ C thực hiện 100 lần nạp và xả.

Vậy công suất của cuộn Tesla được tính như thế nào?

Công thức tính là 6,66*100=666w.

Thời gian của một nửa chu kỳ ở tần số 200 Kz là 2,5 micro giây.

Khi khe đánh lửa SG phóng điện (tương đương với việc đóng), tụ C sẽ xả điện vào cuộn dây L trong khoảng thời gian đó, do vậy công suất tức thời chuyển giao từ C sang L là

6,66/(2,5*10)=2,664*10=2,66 MW.

Công suất tức thời cao hơn nhiều so với công suất liên tục (2,66 MW so với 666 W).

Dòng điện qua cuộn sơ cấp

Trong cuộn Tesla cổ điển, dòng điện qua cuộn sơ cấp thường vượt quá ngưỡng KA. Trong cuộn Tesla SRSSTC, dòng điện qua cuộn sơ cấp thường ở mức chục A, nhưng thời gian cấp năng kéo dài hàng trăm chu kỳ nên vẫn đạt được điện áp cao vài trăm KV. Trong cuộn Tesla DRSSTC, dòng điện qua cuộn sơ cấp thường ở mức trăm A, thời gian cấp năng kéo dài vài chục chu kỳ và tia lửa điện có thể dài tới 3m.

Công suất có thể được đánh giá theo hai cách: công suất tức thời và công suất bình quân. Đối với cuộn Tesla cổ điển, công suất tức thời có thể dễ dàng đạt đến ngưỡng MW. Cuộn Tesla DRSSTC cũng có thể đạt ngưỡng trăm kW về công suất tức thời. Công suất bình quân thường dao động từ vài trăm W cho kích cỡ vừa đến vài kW cho kích cỡ lớn, và vài chục W cho cuộn Tesla nhỏ. Ngay cả mạch dao động với transistor 2N2222 có công suất vài trăm mW vẫn có thể tạo ra sóng điện từ quanh cuộn Tesla ở khoảng cách gần.

4 Cuộn Tesla truyền thống & cuộn Tesla hiện đại

Gần đây, công nghệ bán dẫn đã được áp dụng vào cuộn Tesla hiện đại, với thuật ngữ tiếng Anh viết tắt là SSTC (Solid State Tesla Coil). SSTC được chia thành hai loại: SRSSTC (Single Resonance) và DRSSTC (Dual Resonance). Các loại mới này chỉ cần nguồn điện vài trăm volt so với hàng chục kV của kiểu cũ, giúp loại bỏ biến thế NST, máy đánh lửa và tiếng ồn của nó, đồng thời mang lại nhiều hiệu ứng hiện đại như quả cầu plasma và cuộn Tesla phát nhạc.

4.1 Chuyển đổi năng lượng trong cuộn Tesla hiện đại

Tập tin:Primary ringup srsstc.jpeg

Tập tin:Primary ringup drsstc.jpeg

Trong cuộn Tesla truyền thống, số lần cung cấp năng lượng trong một giây chỉ đạt 100 hoặc 120 lần. Với thời gian cung cấp cực ngắn (vài micro giây), nó yêu cầu xung năng lượng cực lớn lên đến hàng nghìn kW, như thể hiện trong hình 4. Gần đây, một số người đã cố gắng nâng công suất đầu vào bằng cách sử dụng biến thế lò vi ba nối tiếp để tăng điện áp và khe đánh lửa chạy bằng động cơ không đồng bộ tốc độ cao, hiệu quả cũng được cải thiện.

Trong cuộn Tesla hiện đại, số xung trong một giây có thể tăng lên đến 400 BPS (Bursts Per Second). Ngoài ra, trong mỗi lần cấp năng lượng, một chùm sóng vuông dài vài trăm chu kỳ được cung cấp trong cuộn Tesla SRSSTC (như hình 5), và vài chục chu kỳ trong cuộn Tesla DRSSTC (như hình 6) với sóng có dạng biên độ tăng dần, trái ngược với kiểu cổ điển.

Một yếu tố kỹ thuật quan trọng cần lưu ý là hệ số cảm ứng giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải nhỏ hơn 0,3.

Ghi chú